電動汽車車載大功率快速充電機研究

潘光亮　毛德平

摘要：隨著電動汽車技術的發展和應用，對于電動汽車充電技術的要求不斷提高，其中快速充電模式已經成為電動汽車充電技術研究和發展的主要模式。文章從車載大功率快速充電機技術的發展與影響，分析了大功率快速充電模式對電網諧波的影響以及目前的解決方案，提出了電動汽車車載大功率快速充電機的技術解決方案。

關鍵詞：快速充電機；電網建設；電動汽車；充電方式；大功率 文獻標識碼：A

中圖分類號：U464 文章編號：1009-2374（2016）22-0007-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.004

充電機作為電動汽車的充電設備，在電動汽車應用中發揮著重要的作用，是電動汽車不可缺少的子系統之一。與傳統汽車加油方式不同，電動汽車的能量補給方式是將電網的電能轉化為電動汽車車載蓄電池的電能，電能補給方式的高效、安全和便捷對于電動汽車的推廣至關重要，因此發展車載大功率快速充電機是電動汽車產業發展壯大的基礎，具有十分重要的意義。

1 快速充電技術的原理

對充電機實際充電性能的研究應該是根據車載鋰電池的充放電曲線，應用合適的充電方法，從而有效控制充電電壓、電流及時間等參數，實現對電動汽車動力鋰電池安全、快速、可靠地充電。大功率智能化快速充電機由三相三開關三電平PFC、全橋逆變器、LC濾波器、PWM圖騰驅動與反饋環節、充電控制系統及相關的通訊接口組成。輸入三相交流電經過三相三開關三電平PFC作為全橋逆變器的輸入，控制系統采集到相關的反饋信號，經過處理后，并以此為依據輸出PWM信號，此信號經過PWM圖騰驅動，進而驅動移相全橋逆變的MOS管。全橋逆變器的輸出經過整流和LC濾波獲得直流電壓，配合防反接電路給電池充電，其技術原理圖如圖1所示：

2 快速充電技術策略研究

影響充電系統的實際充電性能的主要因素是如何有效控制充電電壓、電流及時間等參數，安全、可靠、快速地完成對電動汽車動力電池的充電。不同種類的蓄電池具有不同的充放電曲線，其相應的充電方法也有很大的不同。傳統的蓄電池充電方法可分為三種，即恒流恒壓充電、多級恒流充電和脈沖充電，一些新型的快速充電策略也是建立在這三種傳統充電方法的基礎之上，通過改進、演化并加入新的理論、思想得到的。

針對鋰電池的充放電曲線及不同充電方法存在的優缺點，我們對車用鋰電池實現快速充電提出了新的技術策略，主要包括兩個方面的內容：（1）通過多級恒流充電與脈沖充電相結合的方式，實現快速充電。所謂多級恒流充電與脈沖充電相結合的方式，就是在充電的初期以較大的電流進行充電，隨著蓄電池端電壓的升高逐漸降低充電電流，當蓄電池端電壓達到一定電壓閥值時采用脈沖充電的方式進行充電。這樣既可以實現對電池的快速充電，也可以通過脈沖充電的方式提高電池的使用壽命。（2）采取數字控制的方式，集成多種型號電池的充電曲線，適應不同電池的需求。針對不同的電池型號，采用數字控制的方式，預先可以設定多種充電曲線。用戶可以根據自己的需要來設定充電曲線，既可以使用默認的充電曲線，也可以根據需要設置快速充電模式，并可以通過數據融合算法對充電曲線以及單體電池的電壓進行檢測和管理，以期更好、更準確地反映電池的即時狀態。

3 充電機實現大功率轉化策略研究

高效率是對電動汽車充電系統最重要的技術指標之一，它對整個電動汽車的使用成本有巨大的影響。如果采用傳統的硬開關變換電路來實現功率變換，充電機的效率比較低，既不利于節能環保，也增加電動汽車的充電及運行成本。充電機的實質就是一個AC/DC轉換電路，為了實現充電機的大功率轉換，在同等的參數條件下，需要提高整機的效率、提高整機的功率因數及主開關頻率等參數，其中PFC技術、移相全橋逆變技術及數字電源的研究是項目開發的關鍵。

3.1 PFC電路技術

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數校正”，功率因數校正一方面可以提高有功功率；另一方面可以抑制諧波的產生。因為充電機在工作時，由于電網側功率因素一般都比較低，會產生較大的諧波干擾，對電網造成較大的危害，為了減小這一危害，需要提升電網側功率因素。功率因素校正電路通常分為有源PFC電路和無源PFC電路兩種。

無源PFC電路：主要利用大電感來濾除諧波，功率因素提高不是很明顯，且體積較大，適用于單相電流

輸入。

有源PFC電路：主要利用電流、電壓反饋技術，使輸入端電流波形跟隨輸入的正弦電壓波形，達到輸入電流與輸入電壓同相且不失真的效果，從而提高功率因素，適用于三相電流輸入，主要包括三開關三電平有源PFC電路和六開關全橋有源PFC電路。

對比六開關全橋有源PFC電路，三開關三電平有源PFC的開關應力小、開關損耗低，具有更高的功率密度，同時不存在MOS管直通的問題，EMI效果也更好。通過軟件仿真試驗也表明，三開關三電平有源PFC電路方案具有良好的功率因素校正效果，輸入電流紋波也較小，適用于大功率快速充電機的要求。

3.2 移相全橋逆變技術

對于較大功率等級的電源來說，一般采取全橋逆變的方式來實現。依據其軟開關實現方式的不同，主要分為LLC全橋逆變及移相全橋逆變等類型。

LLC全橋逆變：利用變壓器中的漏感及諧振電容等器件構成諧振回路，利用變壓器的漏感、諧振電感和諧振電容的儲能對功率MOS管結電容的充放電來實現ZVS、ZCS軟開關。

移相全橋逆變：諧振變換技術與常規PWM變換技術的結合，移相全橋逆變技術利用功率MOS管的結電容和變壓器的漏感作為諧振元件，大多數情況需要外接諧振電感，與上述兩個參數一起參與諧振過程。利用變壓器的漏感和諧振電感的儲能對功率MOS管結電容的充放電來實現全橋臂上4個MOS管的零電壓關斷，零電流開通，實現ZVS和ZCS軟開關技術。

對于大功率充電機來說，功率實現是第一要素。采用數字電源技術和移相全橋的方式，可以獲得較大的開關頻率和較高的效率，客觀上提高系統的整體功率密度，也較為容易實現較大的功率輸出。相比較而言，LLC全橋是一種變頻調制的方式，對電感、變壓器漏感等參數的要求較高，而這些參數在生產過程中難以做到十分準確，其誤差相對較大，對產品的一致性的要求非常高。

應用軟開關諧振技術，可以使充電機的效率得到大幅度提升，如果參數配合得當，其整機甚至能達到95%以上。隨著功率變換技術的發展，移相全橋逆變、LLC全橋逆變等技術在大功率能量轉換中得到廣泛的應用。為了實現充電機的大功率轉換，在同等的參數條件下，需要提高整機的效率、功率因數、主開關頻率等參數。這對降低充電機的重量和體積、減小電網的諧波污染以及提高充電機的整機效率等具有現實意義和使用價值。

4 快速充電的發展展望

4.1 快速充電方法的發展趨勢

快速脈沖充電的理論基礎來自于馬斯三定律，關于電池放電對電池可接受充電電流的影響，但定律并未給出具體的量值關系。正脈沖的周期與幅值，負脈沖的周期與幅值的確定與優化方案將會是脈沖充電今后的主要研究方向。恒流恒壓充電方法的發展將會主要針對充電參數的關系，參數的確定算法以及變換器的優化設計等方向。綜合快速充電的發展將會針對充電過程中的電路設計、控制算法和充電參數等的優化，綜合不同的充電方法實現快速安全充電。

4.2 快速充電與電網的發展趨勢

目前的研究已經表明電動汽車的快速充電會對電網的負荷帶來嚴重的沖擊，此沖擊的產生主要是由于充電機中的電力電子器件的頻繁開關給電網帶來的諧波污染。隨著電動汽車的普及，接入電網的快速充電設備會越來越多，應用這些設備產生的數據去具體分析快速充電設備對電網的具體影響。客觀全面地評價影響程度的具體方法也將是研究的主要方向之一。隨著互聯網的不斷發展，電動汽車與電網互聯技術也將會是電動汽車大面積普及的關鍵研究方向。

5 結語

本文介紹了快速充電模式的恒流恒壓充電、多級恒流充電以及脈沖充電，分析了快速充電模式對電網的影響以及目前的技術策略，對電動汽車的快速大功率充電以及發展趨勢做了總結。快速充電方法的發展將趨于更加快速、高效、安全，快速充電與電網之間的關系趨于逐步完善，并最終實現車載大功率快速充電。

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作者簡介：潘光亮（1984-），男，安徽樅陽人，供職于合肥協力儀表控制技術股份有限公司，研究方向：電氣自動化和PLC可編程控制系統；毛德平（1980-），男，供職于合肥協力儀表控制技術股份有限公司，碩士，研究方向：電力電子技術及現代電力傳動控制。

（責任編輯：黃銀芳）